JP2020502473A - Premix fuel nozzle and combustor for gas turbine - Google Patents
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Abstract
予混合燃料ノズル(12、22)用のノズル先端部(24)が提供される。ノズル先端部(24)は、バーナー管(25)の下流端に面する外側本体外面(36)を有する外側本体(26)を含む。外側本体外面(36)はバーナー管(25)の断面積よりも小さい断面積を有し、外側本体(26)からバーナー管(25)の内壁(27)に向かって半径方向外向きに放射状に広がる一以上のセグメント(40)を有し、各セグメント(40)が、外側本体外面(36)に隣接して配置された近位端(44)と、バーナー管(25)に向かう方向に配置された遠位端(46)とを有する。各セグメント(40)が、バーナー管(25)の長手方向軸(B)に対してバーナー管(25)の下流端に向かって傾斜したセグメント下流面(48)を備える。ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管(25)を通ってノズル先端部(24)の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域がセグメント(40)によりノズル先端部(24)上に生成される。A nozzle tip (24) for a premixed fuel nozzle (12, 22) is provided. The nozzle tip (24) includes an outer body (26) having an outer body outer surface (36) facing the downstream end of the burner tube (25). The outer body outer surface (36) has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the burner tube (25) and radially outwardly from the outer body (26) toward the inner wall (27) of the burner tube (25). A divergent segment having one or more segments (40), each segment (40) disposed in a direction toward the burner tube (25) with a proximal end (44) disposed adjacent the outer body outer surface (36). A distal end (46). Each segment (40) comprises a segment downstream surface (48) inclined toward the downstream end of the burner tube (25) with respect to the longitudinal axis (B) of the burner tube (25). When the gas turbine is operating, an axial flow field of the air and fuel mixture is passed through the burner tube (25) around the nozzle tip (24) to provide strong flame holding and flame propagation. And two or more recirculation zones of varying radial length are created on the nozzle tip (24) by the segments (40).
Description
本発明は、ガスタービン用の燃焼器に関する。より具体的には、本発明は、ガスタービン用の燃焼器用の改良型燃料ノズルに関する。 The present invention relates to a combustor for a gas turbine. More specifically, the present invention relates to an improved fuel nozzle for a combustor for a gas turbine.
典型的なガスタービンは、発電において一般的に使用されているように、高温高圧の燃焼ガスを発生させるために燃焼器を使用して仕事を生み出す。そのようなガスタービンは、典型的には、入口部、圧縮機部、燃焼部、タービン部および排気部を含む。より具体的には、圧縮機部は、圧縮された作動流体を燃焼部に供給する。圧縮された作動流体と燃料は燃焼部内で混合され、高温高圧の燃焼ガスを発生させるために燃焼される。燃焼ガスはタービン部に流れ、そこで膨張して仕事を生み出す。膨張したガスは排気部に放出される。 A typical gas turbine produces work using a combustor to generate high temperature, high pressure combustion gases, as commonly used in power generation. Such a gas turbine typically includes an inlet, a compressor, a combustion, a turbine, and an exhaust. More specifically, the compressor section supplies the compressed working fluid to the combustion section. The compressed working fluid and fuel are mixed in the combustion section and burned to generate high-temperature, high-pressure combustion gas. The combustion gases flow to the turbine section where they expand to produce work. The expanded gas is discharged to the exhaust part.
燃焼部は、一以上の燃焼器を含み、各々が、燃焼ケーシング、端部カバー、キャップ、燃料ノズル(中央予混合ノズルと、中央予混合ノズルを取り囲む複数の外側予混合ノズルを含む)、ライナー、フロースリーブおよびトランジションピースを有する。中央予混合ノズルと外側予混合ノズルは、エンジンの外側の接続部または燃料マニホールド(端部カバー)から直接燃料を取り出してそれを燃焼器に送る。 The combustion section includes one or more combustors, each of which includes a combustion casing, an end cover, a cap, a fuel nozzle (including a central premix nozzle and a plurality of outer premix nozzles surrounding the central premix nozzle), a liner. , A flow sleeve and a transition piece. The central premix nozzle and the outer premix nozzle take fuel directly from the outer connections of the engine or fuel manifold (end cover) and deliver it to the combustor.
ノズル要件には、端部カバーによって供給された様々な流体をそれらの所望の噴射口に供給すること、燃焼器が適切に機能するように流れ及び燃料分配を提供すること、必要なメンテナンス期間の間、ノズルに隣接する炎を燃焼器に損傷を与えずに保持すること、及び漏れの無いシールを提供するために適切に通路をシールすることが含まれる。 Nozzle requirements include supplying the various fluids supplied by the end covers to their desired injection ports, providing flow and fuel distribution for the combustor to function properly, and the required maintenance windows. Meanwhile, maintaining the flame adjacent the nozzle without damaging the combustor, and properly sealing the passage to provide a leak-free seal.
炎を保持するノズルに関し、大部分の燃焼器は、炎を「保持する」ノズル上の位置を有する。炎を保持するには、流れが一般に遅く滞留時間が比較的長い燃焼器の区域が必要である。この区域は、更に、部分的に燃焼した燃焼生成物を主流領域と交換し、下降させ、それ自身はその区域を高温に保つために燃焼のためのより多くの燃料と空気を与える主流領域によって再チャージされる。 With respect to flame holding nozzles, most combustors have a position on the nozzle that "holds" the flame. Holding the flame requires an area of the combustor where the flow is generally slow and the residence time is relatively long. This area is further replaced by a mainstream area that exchanges and lowers the partially burned combustion products with the mainstream area, which itself provides more fuel and air for combustion to keep the area hot. Recharged.
保炎区域では比較的少ない熱放出が起こる。例えば、全燃焼室の熱放出の6%が保炎区域内で発生し得る。しかしながら、これらの区域は、それらが炎の安定性と形状、ひいては燃焼器の成功を定義するため、非常に重要である。 Relatively little heat release occurs in the flame holding zone. For example, 6% of the total combustion chamber heat release may occur in the flame holding zone. However, these zones are very important because they define the stability and shape of the flame and thus the success of the combustor.
以前の保炎器の概念は、一般に、鈍頭物体または旋回安定化のいずれかであった。鈍頭物体の保炎は、燃焼器の一部がその下流側に低速域を形成する場所であり、ここでは軸方向の流速が、炎がその中に留まることを可能にするほど十分に低く、例えば、米国特許第7,003,961号明細書(Kendrickら)に見られるように、そのような装置の大部分がそれらの中に閉じ込められたかまたは部分的に閉じ込められた渦を発生させる。旋回安定化の保炎は、例えば米国特許第6,438,961号明細書(Tuthillら)に見られるように、旋回器が流れを旋回させ、その後自然に燃え立たせてその中心に再循環を形成する場所である。炎は生成されたトロイダル渦内に安定して存在することができ、バーナー管を通過する流れの内面を点火することができる。幾何学的形状/膨張比に応じて、流れの外側に渦があってもよく、保炎器を形成していてもよい。あるシステムでは、鈍頭物体と旋回安定化の保炎の組み合わせを使用する。 Previous flameholder concepts have generally been either blunt bodies or swivel stabilization. Flame holding of a blunt body is where a portion of the combustor forms a low velocity zone downstream of it, where the axial flow velocity is low enough to allow the flame to stay in it. For example, as found in US Pat. No. 7,003,961 (Kendrick et al.), Most of such devices generate vortices trapped therein or partially trapped therein. . The stabilization of swirl stabilization is achieved by a swirler swirling the flow, which then spontaneously burns and recirculates to its center, as found, for example, in US Pat. No. 6,438,961 (Tuthill et al.) A place to form. The flame can be stably present in the generated toroidal vortex and ignite the inner surface of the flow through the burner tube. Depending on the geometry / expansion ratio, there may be vortices outside the flow and may form a flame stabilizer. Some systems use a combination of blunt bodies and flame stabilization for pivot stabilization.
ノズルに対する大部分の設計においては、その下流側先端に炎が固定されることが有利である。先端は、それらが流れ面積を占めるという点において多くの場合、大きくはない。したがって、チップサイズが大きくなるほど、同じ流れ面積を維持するために、バーナー管を大きくする必要がある。あるいは、同じサイズのバーナー管を使用する場合は、流量を増やす必要がある。損失が増加する結果となるからである。可能なかぎり最大の再循環区域を有することは有利であり、典型的にはより安定である。再循環区域は、ノズルによって供給された新鮮な燃料空気混合物と混合するためにノズル中心線に沿って上流の反応区域から高温の生成物をもたらす。再循環区域のサイズを増大させるための一の方法は、流れを旋回させることである。予混合区域内のブレードが流れを回転させる。この流れは、ノズルの端部まで、またはわずかに超えるまで(先端が凹んでいる場合)、環状のパイプを通過する。旋回流が自由空間内で拘束されなくなると、環状管の壁によって加えられる拘束力がなくなるため、流れは拡大する。この拡大した流れはその内側で空気をせん断する。それは外気を下流へ押しているため、置換される空気と置き換えるために空気が中心線上で上流に来なければならない。したがって、外側でせん断する流れは旋回の方向にも回転するため、この流れはトロイダル渦を形成する。 In most designs for the nozzle, it is advantageous for the flame to be fixed at its downstream tip. The tips are often not large in that they occupy the flow area. Thus, the larger the chip size, the larger the burner tube needs to be to maintain the same flow area. Alternatively, if burner tubes of the same size are used, the flow rate needs to be increased. This results in increased losses. It is advantageous to have the largest possible recirculation zone, and it is typically more stable. The recirculation zone provides hot products from the upstream reaction zone along the nozzle centerline for mixing with the fresh fuel-air mixture supplied by the nozzle. One way to increase the size of the recirculation zone is to swirl the flow. Blades in the premixing zone rotate the flow. This stream passes through the annular pipe to the end of the nozzle or slightly beyond (if the tip is concave). When the swirling flow is no longer confined in free space, the flow expands because there is no constraining force applied by the walls of the annular tube. This expanded flow shears the air inside. Because it is pushing the outside air downstream, the air must come upstream on the centerline to replace the air being displaced. Thus, the flow shearing on the outside also rotates in the direction of the swirl, so that this flow forms a toroidal vortex.
予混合ノズル設計では、多くの構成において、大部分の空気が、ライナーに入って燃焼する前に燃料と混合されるためにライナーの上流面を通過する。 In premix nozzle designs, in many configurations, most of the air passes through the upstream surface of the liner to be mixed with fuel before entering the liner and burning.
流れを旋回させることは複数の結果をもたらす。例えば25度に対して45度で流れを旋回させることは、より高い圧力降下をもたらし、それは、例えば70MWのガスタービンにおいて390KWのエネルギーを使い果たし得る。そのエネルギーは熱として放散され、そのうちの一部分は、サイクルを通してそれが膨張するにつれて回収されるが、全体的な電力と効率の低下につながる。明らかに、流れを全く旋回させないことはさらに大きな利益をもたらすであろう。 Turning the flow has multiple consequences. Swirl the flow at 45 degrees versus 25 degrees, for example, results in a higher pressure drop, which can exhaust 390 KW of energy in a 70 MW gas turbine, for example. The energy is dissipated as heat, some of which is recovered as it expands throughout the cycle, leading to a reduction in overall power and efficiency. Obviously, not swirling the flow at all would provide even greater benefits.
圧力損失を減らす一の方法は、バーナー管内の流れの速度を下げることであり、それは損失が速度の2乗に比例するためである。より大きなバーナー管が存在すると、膨張に利用可能な空きキャップスペースがさらに少なくなる結果となる。それはまた、流れ流を互いに接近させて配置し、それが予混合器を出ていく流れ間のせん断速度を増加させる。 One way to reduce pressure loss is to reduce the speed of the flow in the burner tube, since the loss is proportional to the square of the speed. The presence of a larger burner tube results in less open cap space available for expansion. It also places the flow streams close to each other, which increases the shear rate between the streams leaving the premixer.
旋回流の使用は、円形対称性を有しないノズルを設計することを、非常に困難または不可能にする。さらに、流れの回転特性が、ライナーや隣接するノズルなどの物理的特徴に対してその関係を絶えず変化させているため、円周方向に特性を変えることによって炎の形状を設計することは非常に困難である。旋回が手助けとなる一の分野は混合である。旋回流から生じるより長いらせん流路は、混合を生じさせるためのより長い距離を与える結果となる。 The use of swirling flow makes it very difficult or impossible to design a nozzle without circular symmetry. In addition, it is very difficult to design the shape of a flame by changing its properties in the circumferential direction, as the rotational properties of the flow constantly change its relationship to physical features such as liners and adjacent nozzles. Have difficulty. One area where turning can help is mixing. Longer spiral channels resulting from swirling flow result in longer distances for mixing to occur.
外側ノズルは旋回ベースのシステムにおいて固有の利点を有する。設計/概念上、ノズルは円形対称性を有する。炎の形状および特性は変えることができるが、典型的には、変えることができるのは、燃料プロファイル又は旋回等のような半径方向特性だけである。 Outer nozzles have inherent advantages in swirl-based systems. By design / concept, the nozzle has circular symmetry. Although the shape and characteristics of the flame can vary, typically only radial characteristics such as fuel profile or swirl can be varied.
燃料ノズル内では、燃焼前に空気と燃料が予混合される。燃料と空気とを予混合することにより、全ての燃料を燃焼させるのに必要とされるよりも多くの空気が燃料と混合されるため、空気は事実上は希釈剤であり、燃料が燃焼すると、燃焼生成物と過剰空気の両方を同時に加熱する。汚染物質であるNOx(亜酸化窒素)の生成は温度と強く関係する。したがって、炎温度を最小限に抑えることによって、NOxの生成が最小限に抑えられる。 In the fuel nozzle, air and fuel are premixed before combustion. By premixing the fuel and air, the air is effectively a diluent because more air is mixed with the fuel than is needed to burn all the fuel, and as the fuel burns, Heat both the combustion products and excess air simultaneously. The production of the pollutant NO x (nitrous oxide) is strongly related to temperature. Therefore, minimizing the flame temperature minimizes NO x production.
下流の炎シートの形状の設計を可能にする、強い局所的な炎の保持(保炎)および炎伝播を生じさせる旋回流よりもむしろ軸流を利用したノズル構造を作ることが望ましいであろう。ノズル先端部の任意の部分が独特であり得るため、これは線形流を有することが可能である。本発明の目的のために「軸流」とは、名目上ゼロの正味渦を有する流れ場を意味することを意図している。定義されたように、「軸方向の流れ」は二次運動をし得る。この場合、半径方向速度および円周方向速度を有する流れの特徴を有し得るが、正味の旋回/半径方向速度は本質的にゼロである。 It would be desirable to create a nozzle structure that utilizes axial flow rather than swirl to produce a strong local flame retention (flame holding) and flame propagation that allows for the design of downstream flame sheet shapes. . This can have a linear flow, as any part of the nozzle tip can be unique. "Axial flow" for the purposes of the present invention is intended to mean a flow field having a nominally zero net vortex. As defined, "axial flow" may have a secondary motion. In this case, it may have a flow characteristic with a radial velocity and a circumferential velocity, but the net swirl / radial velocity is essentially zero.
本明細書に引用された全ての参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 All references cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety.
バーナー管内に配置されたノズル先端部を含むガスタービン用の予混合燃料ノズルが提供される。バーナー管は、内壁と、バーナー管の上流端と下流端との間に延びる長さを有する開放内容積と、長手方向軸と、長手方向軸に垂直な断面積とを有する。ノズル先端部は、バーナー管の下流端に面する外側本体外面を有する外側本体を含む。外側本体外面は、バーナー管の断面積よりも小さい断面積を有する。ノズル先端部は、更に、外側本体からバーナー管の内壁に向かって半径方向外向きに放射状に広がる一以上のセグメントを含み、各セグメントが、外側本体外面に隣接して配置された近位端と、バーナー管に向かう方向に配置された遠位端とを有する。各セグメントは、バーナー管の長手方向軸に対してバーナー管の下流端に向かって傾斜したセグメント下流面を有する。ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管を通ってノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域がセグメントによりノズル先端部上に生成される。 A premixed fuel nozzle for a gas turbine is provided that includes a nozzle tip disposed within a burner tube. The burner tube has an inner wall, an open interior volume having a length extending between an upstream end and a downstream end of the burner tube, a longitudinal axis, and a cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis. The nozzle tip includes an outer body having an outer body outer surface facing the downstream end of the burner tube. The outer body outer surface has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the burner tube. The nozzle tip further includes one or more segments radiating radially outward from the outer body toward the inner wall of the burner tube, each segment having a proximal end disposed adjacent the outer body outer surface. , A distal end disposed in a direction toward the burner tube. Each segment has a segment downstream surface that is inclined toward the downstream end of the burner tube with respect to the longitudinal axis of the burner tube. When the gas turbine is in operation, an axial flow field of the air and fuel mixture flows around the nozzle tip through the burner tube to provide strong flame holding and flame propagation, and a radial Two or more recirculation zones of different lengths are created on the nozzle tip by the segments.
セグメントの少なくとも一の遠位端は、バーナー管の内壁まで部分的又は完全に延びていてもよい。外側本体は内側プレナムを囲んでもよく、内側プレナムは冷却空気を受けるようになっている。ここで、外側本体は開放端部と閉鎖端部とを有し、閉鎖端部は内側プレナムに隣接する内面を有する。閉鎖端は、内面と外側本体外面との間に延びる複数の冷却孔を有してもよい。 At least one distal end of the segment may extend partially or completely to the inner wall of the burner tube. The outer body may surround the inner plenum, the inner plenum adapted to receive cooling air. Here, the outer body has an open end and a closed end, and the closed end has an inner surface adjacent the inner plenum. The closed end may have a plurality of cooling holes extending between the inner surface and the outer body outer surface.
各セグメントは、開放近位端と閉鎖遠位端とを有し、開放近位端が内側プレナムと流体連通している内部導管を有していてもよく、空気が内側プレナムから内側導管へ通過するようになっている。各セグメントは、内部導管とセグメント下流面との間にある複数のセグメントボアホールを有していてもよく、空気が内部導管から各セグメントを通過するようにするために、ボアホールが内部導管とセグメント下流面との間の流体連通を提供する。各セグメントのセグメント下流面が平面であってもよい。バーナー管25の長手方向軸Bに対するセグメント下流面の角度が、例えば、105〜165度の範囲内(例えば約135度)であってもよい。バーナー管の内壁まで完全に延びる少なくとも1つのセグメントの遠位端が閉じられており、パージ溝を備えていてもよい。セグメントの各セグメントが、外側本体の周りに円周方向に等間隔で配置されていてもよい。各セグメントの近位端の周方向断面積が各セグメントの遠位端の周方向断面積よりも大きくてもよい。各セグメントがU字形の断面を有し、断面がバーナー管の長手方向軸と平行であってもよい。各セグメントが上流面を有し、上流面がセグメント下流面に向かって滑らかに湾曲していてもよい。各セグメントが上流面を有し、各セグメントの上流面が、バーナー管の長手方向軸に対してバーナー管の下流端に向かって傾斜していてもよい。
Each segment has an open proximal end and a closed distal end, and the open proximal end may have an internal conduit in fluid communication with the inner plenum, wherein air passes from the inner plenum to the inner conduit. It is supposed to. Each segment may have a plurality of segment boreholes between the inner conduit and the segment downstream surface, and a borehole is formed between the inner conduit and the segment downstream surface to allow air to pass through each segment from the inner conduit. Providing fluid communication between the surfaces. The segment downstream surface of each segment may be flat. The angle of the segment downstream surface with respect to the longitudinal axis B of the
反応区域と一以上の予混合燃料ノズルを含むガスタービン用の燃焼器もまた提供される。予混合燃料ノズルは、燃料と空気との混合物を反応区域に噴射するためのものである。少なくとも一の予混合燃料ノズルは、燃料空気予混合器とバーナー管内に配置されたノズル先端部とを含んでいてもよい。バーナー管は、内壁と、バーナー管の上流端と下流端との間に延びる長さを有する開放内容積と、長手方向軸と、長手方向軸に垂直な断面積とを有する。ノズル先端部は上述の通りである。ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管を通ってノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域がセグメントによりノズル先端部上に生成される。少なくとも一の予混合燃料ノズルが、単一の中央予混合燃料ノズルであってもよく、燃焼器が、異なるタイプの少なくとも一の外側予混合燃料ノズルを含む。一以上の予混合燃料ノズルが、単一の中央予混合燃料ノズルと、少なくとも一の外側予混合燃料ノズルと含んでもよい。 A combustor for a gas turbine including a reaction zone and one or more premixed fuel nozzles is also provided. The premixed fuel nozzle is for injecting a mixture of fuel and air into the reaction zone. The at least one premixed fuel nozzle may include a fuel air premixer and a nozzle tip located within the burner tube. The burner tube has an inner wall, an open interior volume having a length extending between an upstream end and a downstream end of the burner tube, a longitudinal axis, and a cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis. The nozzle tip is as described above. When the gas turbine is in operation, an axial flow field of the air and fuel mixture flows around the nozzle tip through the burner tube to provide strong flame holding and flame propagation, and a radial Two or more recirculation zones of different lengths are created on the nozzle tip by the segments. The at least one premixed fuel nozzle may be a single central premixed fuel nozzle, and the combustor includes at least one outer premixed fuel nozzle of a different type. One or more premixed fuel nozzles may include a single central premixed fuel nozzle and at least one outer premixed fuel nozzle.
本発明は、同一の参照番号が同一の要素を示す以下の図面と併せて説明される。 The present invention is described in conjunction with the following drawings, wherein like reference numbers indicate like elements.
以下の実施形態を参照しながら本発明をより詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されると見なされるべきではないことを理解されたい。 The present invention will be described in more detail with reference to the following embodiments, but it should be understood that the present invention should not be deemed to be limited thereto.
図面を参照しながら、複数の図面において同様の部品番号には同様の要素を参照しており、図1は、本発明の第1の例示的な実施形態に係る予混合ノズル12、22を有する燃焼器10を示している。燃焼器10の主要な構成要素は、燃焼ケーシング14、端部カバー16、キャップ18、反応区域20、中央予混合燃料ノズル12、及び複数の外側予混合燃料ノズル22を含む。ノズル12、22は、空気と燃料の混合物21を反応区域20に噴射するためである。
Referring to the drawings, wherein like reference numbers refer to like elements in the several figures, FIG. 1 has a
図2〜図9に最もよく示されるように、予混合燃料ノズル12、22は、一般に、燃料空気予混合器23、ノズル先端部24、およびバーナー管25を含む。ノズル先端部24に関わる本発明は、中央予混合燃料ノズル12および外側予混合燃料ノズルのいくつかまたはすべてと共に十分に使用され得ることに留意されたい。明確にするために、本発明は、ここでは中央予混合ノズルのみに関して一般的に説明するが、本発明のノズル先端部24は任意のノズル12、22と共に使用されてもよい。
As best shown in FIGS. 2-9, the premixed
ノズル先端部24は、任意の内側プレナム28を囲む外側本体26を含む。バーナー管25は、内壁27、解放内容積29を有し、バーナー管25の上流端33と下流端35との間に延びる長さ31を有する(図8参照)。バーナー管25は、長手方向軸線Bと、バーナー管25に垂直な断面積39(図4ではクロスハッチ領域として示されている)とを有する。
The
ノズル先端部24の外側本体26は、開放端部30と、閉鎖端部32と、バーナー管25の下流端35に面する閉鎖端部32上の外側本体外面36とを有する。外側本体外面36は、バーナー管25の下流端35に面しており、バーナー管25の断面積39よりも小さい断面積37を有する(図4の斜線部分とクロスハッチ部分とを比較されたい)。外側本体外面36は平面であり得る。
The
任意の内側プレナム28は冷却空気を受けるようになっている。ノズル先端部24の閉鎖端部32は、内側プレナム28に隣接する内面34を有する。閉鎖端部32は、内面34と外側本体外面36との間で延びる複数のボアホール38を有する。当技術分野で知られているように、これらボアホール38は、バーナー管25の長手方向軸線Bに対して斜めに配置することができる。
Optional
図5〜図9に示すように、少なくとも1つのセグメント40が外側本体26からバーナー管25の内壁27に向かって、例えば、等間隔の円周間隔で、外向きに放射状に広がっている。各セグメント40は、同じ長さでも異なる長さでもよく、バーナー管の内壁27まで完全に延びるか、またはバーナー管の内壁27まで部分的に延びることができる。不規則な角度40’で異なる長さのセグメントを有するバーナー先端部24’の一例が図10〜13に示されている。バーナー先端部24’は、(後述する)任意のボアホール無しで示されている。
As shown in FIGS. 5 to 9, at least one
中央予混合ノズル12に関して、最も簡単な使用法は、外側予混合ノズル22の数と同数のセグメント40を有することである。一の置換法は、セグメント40が外側予混合ノズル22と並び、中央予混合ノズル12から外側予混合燃料ノズル22へと炎を運ぶようにすることである。
For the
図9に最もよくわかるように、各セグメント40は、内側プレナム28と流体連通する開放近位端44(図8参照)を有する内部導管42を有することができ、ここで空気は内側プレナム28から内部導管42内へと通過するように構成されている。各セグメント40はまた、閉鎖遠位端46と、外側本体26の外側本体外面36に隣接して配置されたセグメント下流面48(例えば平面)と、任意には、内部導管42およびセグメント下流面48の間の複数のセグメントボアホール50を有する。ボアホール50は、各セグメント40を通って内部導管42から空気が通過するようにするために、内部導管42とセグメント下流面48との間に流体連通を与える。各セグメント40のセグメント下流面48は、バーナー管25の長手方向軸線Bに対して傾斜し、例えば105°から165°傾斜し得る。例えば、図9、角度Cを参照のこと。
As best seen in FIG. 9, each
各セグメント40の閉鎖遠位端46は、ノズル先端部24を通過する空気と燃料の混合物の流れが常にあるようにするパージ溝54を含むことができる。セグメント40がバーナー管25とほぼ同じ高さであり、かつバーナー管の内壁27まで延びる場合(例えば図4および図8に示すように)、パージ溝54は、2つの部分が接触しているかまたはほぼ接触している場合でも、セグメント40の遠位端46の領域が連続的に洗い流されることを確実にする。そのようなパージ溝54は、図10〜13に示すように、より短い長さのセグメント40’には必要ない。
The closed
セグメント40は、様々な図に示されるような形状であり得る(図2および図4〜図12参照)。しかしながら、本明細書で述べるような所望の結果を達成するために適切に機能する実質的に任意の細長い構成のセグメントを含むことが本発明の意図である。一般に、様々なセグメント40の上流部分は、後縁(すなわちセグメント40のセグメント下流面48の縁)の上流に分離区域が実質的に存在しないことを確実にするために適切な空気力学的形状を有するべきである。しかしながら、様々なセグメントがそのようなクリーンな空気力学的後縁を有することは、実質的にそれほど重要ではない。ノズル先端部24上の様々なセグメント40は、同一の物理的形状を有してもよいが、代替的には、本明細書に記載の所望の結果が達成される限り、強い保炎と強い炎伝播を含み、ノズル先端部24上の1つ以上のセグメント40は全く異なる形状を有してもよい。
このように構成されて、ノズル先端部24は、半径方向の広がりが異なる二以上の再循環領域を形成して、燃料と空気の混合物の不規則なトロイダル再循環領域52を形成して強い保炎と炎伝播を提供する。通常の旋回ノズルは、回転対象図形である単一のトロイダル渦を有することに留意されたい。本発明では、再循環区域は、異なる半径方向範囲の二以上の区域から構成され、不規則なトロイドであり、即ち、回転対象図形ではない。本発明は、異なる特性を有する異なる炎形状を作り出すように調整し得る、異なるサイズの渦を作り出すものである。
With this configuration, the
本発明は、実質的に、軸速度が炎速度よりも低く、バーナー管とセグメント40の遠位端46との間を通過する流れによって回転する下流側に低速の流れ区域を作り出すために、空気と燃料の混合物の流れに穴をあけるためのセグメント40を提供するものである。
The present invention substantially reduces the air velocity in order to create a low velocity flow area on the downstream side where the axial velocity is lower than the flame velocity and which is rotated by the flow passing between the burner tube and the
ノズル先端部24のセグメント40は、外側予混合ノズル22と一直線に配置した場合に常に作動している中央予混合ノズル12が炎を共有し、ガスタービン負荷プロセス中にオンまたはオフとなる外側予混合ノズル22を点火し得る装置を提供する。ここでは、流れは中央ノズル先端部の外側から外側ノズルに向かって移動する。
The
本発明によって解決される問題は、旋回流ではなく直線流を使用するノズル構造の創出にある。本発明は、二以上のサイズのトロイダルフロー機構を有するノズル先端部上に再循環区域を形成する。これは強い局所的な保炎と炎伝播を生み出すが、流れ場の単純さは下流側の炎シートの形状の明示的な設計、即ちその特性(設計の物理的限界内において)を可能にするものである。 The problem solved by the present invention resides in the creation of a nozzle structure that uses a linear flow instead of a swirl flow. The present invention creates a recirculation zone on the nozzle tip with toroidal flow features of two or more sizes. This produces strong local flame holding and flame propagation, but the simplicity of the flow field allows for an explicit design of the downstream flame sheet geometry, ie its properties (within the physical limits of the design) Things.
本発明の目的は、ノズル先端部の下流側で半径方向が異なる再循環領域を形成することである。旋回設計では、先端部は円形対称性を有し、流れの旋回性のために回転形状を有する。本発明のように、直線流を用いる設計では、それは必要ではない。先端のどの部分も独特であり得る。 It is an object of the present invention to form a recirculation region having a different radial direction downstream of the nozzle tip. In the swirl design, the tip has circular symmetry and has a rotating shape for flow swirl. It is not necessary for designs using linear flow, as in the present invention. Any part of the tip can be unique.
本発明の利点は、より大きなノズルの特徴の一部をより小さなノズルにもたらすことにある。例えば、本発明は
・ノズルの下流で再循環する質量流量を増加させてより強固にする。
・キャップ上の流れを照らすために炎をバーナー管の外側半径に運ぶ。
・ノズル先端部に異なる性質を与えることを可能にすることであり、それは他の部分を変更することなく炎の形状に影響を及ぼし得ることであって、
o各セグメントのサイズ(高さ/幅/形状/傾斜)および他のセグメントとの角度の関係は任意であり、これにより大きな柔軟性が与えられる。
・複数の半独立の保炎器の存在が、消え始めている場合には様々な部分が光を横切ることを可能にする。これにより、例外的なリーンブローアウト(LBO)、即ち、ノズルが依然として確実に炎を保持することができる最低の化学両論比がもたらされる。
An advantage of the present invention is that it provides some of the features of a larger nozzle to a smaller nozzle. For example, the present invention: • Increases and strengthens the mass flow recirculating downstream of the nozzle.
• Bring the flame to the outer radius of the burner tube to illuminate the flow over the cap.
The ability to impart different properties to the nozzle tip, which can affect the shape of the flame without altering other parts,
o The size of each segment (height / width / shape / slope) and its relationship to the other segments is arbitrary, giving great flexibility.
-The presence of multiple semi-independent flame stabilizers allows various parts to traverse the light if they are beginning to fade. This results in exceptional lean blowout (LBO), the lowest stoichiometry at which the nozzle can still reliably hold the flame.
本発明は、炎の形状/幾何学的特性を直接設計する能力を提供する。過去においては、炎の特性の変化を引き起こすためにノズルの特徴が変えられたが、その変化の正確な性質はよく知られていなかった。燃焼器の比較的単純な幾何学的環境を有していたとしても、旋回流の複雑な相互作用は真の設計を事実上不可能にする場合がある。旋回の効果は、任意の特性の計時が軸方向の距離と共に変化することを意味し、そのため、その変化はある点では有利であり、別の点では不利である可能性がある。 The present invention provides the ability to directly design the shape / geometric properties of the flame. In the past, nozzle characteristics were altered to cause changes in the characteristics of the flame, but the exact nature of the change was not well known. Even with the relatively simple geometry of the combustor, the complex interactions of the swirl flow may make a true design virtually impossible. The effect of turning means that the timing of any property changes with axial distance, so that the change may be advantageous in some respects and disadvantageous in another.
本発明は、各セグメント40が、バーナー管25の下流端に向かってバーナー管の長手方向軸線Bに対して傾斜したセグメント下流面48を有することを必要とすることに留意されたい。下流面48が傾斜しているという事実により、ガスタービンが作動しているとき、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場がバーナー管を通ってノズル先端部の周りを流れ、そして半径方向が異なる2つ以上の再循環領域が流れる。セグメントによってノズル先端部に広がりが生じ、強い保炎性と炎伝播性が得られる。
It should be noted that the present invention requires that each
セグメントが存在する場合この結果は生じないが、セグメントの下流面は、バーナー管の長手方向軸に対してバーナー管の下流端に向かって傾斜していない。セグメント40がバーナー管の長手方向軸線Bに対して傾斜した下流面48を有する本発明のバーナー管25を通りノズル先端部24の周りの部分的に簡略化された模擬流れ場を示す図14aと図15aと、セグメント40bがバーナー管25bの長手方向軸線B’に対して傾斜していない(即ち、バーナー管25bの長手方向軸線B’に対して垂直な)下流面48bを有する本発明のバーナー管25bを通りノズル先端部24bの周りの模擬流れ場を示す図14bと図15bとを比較されたい。図14aは、セグメントの高さと同様の大きさの再循環領域を示し、図14bは示していない。
This result does not occur if the segment is present, but the downstream surface of the segment is not inclined toward the downstream end of the burner tube with respect to the longitudinal axis of the burner tube. FIG. 14a shows a partially simplified simulated flow field around the
本発明のセグメント化ノズル先端部24の重要な特徴は、セグメント下流面48の下流に異なるサイズの二以上の渦を形成するこの能力である。ノズル先端部24のバーナー管25とセグメント下流面48と外側本体26との間を通過する流れは、セグメント下流面48の下流で空気をせん断する。このせん断運動は流れを下流に運ぶ。したがって、空気と燃料の混合物21の流れは、ノズルの中心線上に移動して、変位した流れを置き換える。非常に急速な後流れがバーナー管25下方へ通過し始めると、ノズル先端部24の下流に渦が増える。ノズル先端部24およびセグメント40の外面は異なる半径方向寸法を有するため、これらの構造に関連する渦も同様に異なるサイズとなる。各セグメント40の下流に、セグメント40間の各領域に一つずつ形成された渦がある。したがって、渦構造の総数は、セグメント40の数の2倍に等しく、単一のセグメント40については最低2つである。
An important feature of the
この結果は、例えば米国特許第7,003,961号(Kendrickら)の図4の保炎器(上記の背景技術で論じた)に示されている鈍頭物体システムでは起こらない。より具体的には、中心体および支柱が流れを変位させ、それらの下流に低速な流れの領域を作り出す。中央の保炎剤捕捉キャビティ内の流れは、温度が上昇して密度が大幅に低下するため、燃焼するにつれて膨張する。生成された体積は、中心本体内の被駆動キャビティを通過する高速流を移動させる場合に比べてより低抵抗の経路であるため、支柱の下流の低速区域に部分的に膨張する。この流れは、支柱の両側を通過する流れによって外側に移動しせん断される。このせん断は、設計の詳細に応じて、フォン・カルマン渦放出または一対の安定した渦のどちらかを励起するであろう。 This result does not occur with the blunt body system shown in, for example, the flame stabilizer of FIG. 4 of U.S. Pat. No. 7,003,961 (Kendrick et al.) (Discussed in the Background Art section above). More specifically, the central body and struts displace the flow, creating a region of slow flow downstream of them. The flow in the central flame holding agent capture cavity expands as it burns, as the temperature rises and the density drops significantly. The generated volume partially expands into a lower velocity zone downstream of the strut, as it is a lower resistance path than moving a high velocity flow through the driven cavity in the central body. This flow is moved outward and sheared by the flow passing on both sides of the column. This shear will excite either von Karman vortex shedding or a pair of stable vortices, depending on the design details.
これらの渦の回転軸は、溝の前面に平行であるか、または燃焼器の中心線に対して半径方向にある。これらの特性を有する流れの特徴は、バーナー管25の長手方向軸線Bに対してバーナー管25の下流端に向かって傾斜した下流面48を有するセグメントを有するノズル先端部24の場合と同様に、ノズル/燃焼器の中心線上への流れの再循環を引き起こさない。
The axis of rotation of these vortices is parallel to the front of the groove or radial to the centerline of the combustor. A flow feature having these properties is similar to the
本発明は特定の実施態様を参照して詳細に説明してきたたが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。 Although the present invention has been described in detail with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
10…燃焼器
12…予混合(燃料)ノズル
14…燃焼ケーシング
16…端部カバー
18…キャップ
20…反応区域
21…混合物
22…予混合(燃料)ノズル
23…燃料空気予混合器
24…セグメント化ノズル先端部
24’…バーナー先端部
24b…ノズル先端部
25…バーナー管
25b…バーナー管
26…外側本体
27…内壁
28…内側プレナム
29…解放内容積
30…開放端部
32…閉鎖端部
33…上流端
34…内面
35…下流端
36…外側本体外面
37…断面積
38…ボアホール
39…断面積
40…セグメント
42…内部導管
44…開放近位端
46…閉鎖遠位端
48…セグメント下流面
50…ボアホール
52…トロイダル再循環領域
54…パージ溝
DESCRIPTION OF
Claims (17)
(a)前記バーナー管の前記下流端に面する外側本体外面を有する外側本体であって、前記外側本体外面が前記バーナー管の前記断面積よりも小さい断面積を有する、外側本体と、
(b)前記外側本体から前記バーナー管の前記内壁に向かって半径方向外向きに放射状に広がる一以上のセグメントであって、各セグメントが、前記外側本体外面に隣接して配置された近位端と、前記バーナー管に向かう方向に配置された遠位端とを有し、各セグメントが、前記バーナー管の前記長手方向軸に対して前記バーナー管の前記下流端に向かって傾斜したセグメント下流面を備える、セグメントと
とを備え、
ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場が前記バーナー管を通って前記ノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域が前記セグメントにより前記ノズル先端部上に生成される、ガスタービン用の予混合燃料ノズル。 A nozzle tip disposed within the burner tube, wherein the burner tube has an inner wall, an open interior volume having a length extending between an upstream end and a downstream end of the burner tube, a longitudinal axis, and the longitudinal axis. A premixed fuel nozzle for a gas turbine having a cross-sectional area perpendicular to a direction axis, wherein the nozzle tip is
(A) an outer body having an outer body outer surface facing the downstream end of the burner tube, wherein the outer body outer surface has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the burner tube;
(B) one or more segments radiating radially outward from the outer body toward the inner wall of the burner tube, each segment being a proximal end disposed adjacent the outer body outer surface; And a distal end disposed in a direction toward the burner tube, wherein each segment is inclined toward the downstream end of the burner tube with respect to the longitudinal axis of the burner tube. Comprising a segment and
When the gas turbine is operating, an axial flow field of a mixture of air and fuel flows around the nozzle tip through the burner tube to provide strong flame holding and flame propagation, and A premixed fuel nozzle for a gas turbine, wherein two or more recirculation zones of different lengths in the direction are created on the nozzle tip by the segments.
(a)開放近位端と閉鎖遠位端とを有し、前記開放近位端が前記内側プレナムと流体連通している内部導管であって、空気が前記内側プレナムから前記内側導管へ通過するようになっている内部導管と、
(b)内部導管と前記セグメント下流面との間にある複数のセグメントボアホールであって、空気が前記内部導管から各セグメントを通過するようにするために、前記ボアホールが前記内部導管と前記セグメント下流面との間を流体連通するセグメントボアホールと、
とを備える請求項4記載の予混合燃料ノズル。 Each segment is
(A) an inner conduit having an open proximal end and a closed distal end, wherein the open proximal end is in fluid communication with the inner plenum, wherein air passes from the inner plenum to the inner conduit; Internal conduit,
(B) a plurality of segment boreholes between the inner conduit and the segment downstream surface, wherein the boreholes are disposed between the inner conduit and the segment downstream to allow air to pass through each segment from the inner conduit; A segment borehole in fluid communication with the surface,
The premixed fuel nozzle according to claim 4, comprising:
(a)燃料空気予混合器と、
(b)バーナー管内に配置されたノズル先端部であって、前記バーナー管が、内壁と、前記バーナー管の上流端と下流端との間に延びる長さを有する開放内容積と、長手方向軸と、前記長手方向軸に垂直な断面積とを備え、前記ノズル先端部が、
(i)前記バーナー管の前記下流端に面する外側本体外面を有する外側本体であって、前記外側本体外面が前記バーナー管の前記断面積よりも小さい断面積を有する、外側本体と、
(ii)前記外側本体から前記バーナー管の前記内壁に向かって半径方向外向きに放射状に広がる少なくとも一のセグメントであって、各セグメントが、前記外側本体外面に隣接して配置された近位端と、前記バーナー管に向かう方向に配置された遠位端とを有し、各セグメントが、前記バーナー管の長手方向軸に対して前記バーナー管の前記下流端に向かって傾斜したセグメント下流面を備える、セグメントと
を備え、
ガスタービンが作動しているときに、強い保炎及び炎伝播を提供するために、空気と燃料の混合物の軸方向の流れ場が前記バーナー管を通って前記ノズル先端部の周りを流れ、半径方向の長さが異なる二以上の再循環区域が前記セグメントにより前記ノズル先端部上に生成される、ガスタービン用の燃焼器。 A combustor for a gas turbine comprising a reaction zone and one or more premixed fuel nozzles for injecting a mixture of fuel and air into the reaction zone, wherein the at least one premixed fuel nozzle comprises:
(A) a fuel air premixer;
(B) a nozzle tip disposed within a burner tube, wherein the burner tube has an inner wall, an open inner volume having a length extending between an upstream end and a downstream end of the burner tube, and a longitudinal axis. And a cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis, wherein the nozzle tip is
(I) an outer body having an outer body outer surface facing the downstream end of the burner tube, wherein the outer body outer surface has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the burner tube;
(Ii) at least one segment radiating radially outward from the outer body toward the inner wall of the burner tube, each segment being a proximal end disposed adjacent the outer body outer surface; And a distal end disposed in a direction toward the burner tube, wherein each segment defines a segment downstream surface inclined toward the downstream end of the burner tube with respect to a longitudinal axis of the burner tube. With segment, with
When the gas turbine is operating, an axial flow field of a mixture of air and fuel flows around the nozzle tip through the burner tube to provide strong flame holding and flame propagation, and A combustor for a gas turbine, wherein two or more recirculation zones of different lengths in the direction are created on the nozzle tip by the segments.
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